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Wireless hart conceptos basicos

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Wireless plant networks, wireless hart and Emerson

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Wireless hart conceptos basicos

  1. 1. EmersonLider Wireless Region Andina y CaribeSmart WirelessSmart Wireless::Conceptos BásicosConceptos Básicos
  2. 2. [File Name or Event]Emerson Confidential27-Jun-01, Slide 2AgendaAgenda Introducción Evolución y Estándares Conceptos Básicos Requerimientos de una red inalambrica industrial
  3. 3. [File Name or Event]Emerson Confidential27-Jun-01, Slide 3La Planta Digital de Emerson Integra de FormaLa Planta Digital de Emerson Integra de FormaTransparente lo cableado y lo inalámbricoTransparente lo cableado y lo inalámbricoRed de PlantaRed de ControlOperacionesAdministraciónde ActivosDispositivosDe CampoRedesAutoadminstradasComunicacionesmóvilesOperadorMóvilSeguridad Físicay del ProcesoSeguimiento deActivos/PersonalRed de Planta InalámbricaRed de Campo Inalámbrica
  4. 4. [File Name or Event]Emerson Confidential27-Jun-01, Slide 4Red de Campo Inalámbrica11 Aplicaciones Top:1. Monitoreo de ProcesosComplicados2. Equipo Rotativo3. Ambientales4. Sistemas Auxiliares5. Estatus de Sistemas deSeguridad6. Seguridad de Operadores7. Activos Móviles8. Posición Válvula On/Off9. Arranque Procesos10.Instalaciones Temporale11. Alternativa a cableadoDesarrollo de soluciones inalámbricasDesarrollo de soluciones inalámbricasdepende de las necesidades del clientedepende de las necesidades del clienteRed de Planta Inalámbrica8 Aplicaciones Top:1. Field Data Backhaul2. Operador Móvil3. Enlace4. Video - Securidad5. Video - Proceso6. Seguimiento activos7. Safety Mustering8. Voz sobre WLAN
  5. 5. [File Name or Event]Emerson Confidential27-Jun-01, Slide 5Las Redes de Planta y Campo tienenLas Redes de Planta y Campo tienenconsideraciones técnicas diferentesconsideraciones técnicas diferentesRed de Planta InalámbricaBandwidth: Alto – Múltiplesaplicaciones que debencompartir la mismainfraestructura inalámbricaSeguridad / Confiabilidad:Seguridad Industrial ycoexistencia robusta.Debe pasar losrequerimentos de TIEnergía: Los dispositivospuede estar cableados orecargarse diariamenteEstándares: Definidos por lacomunidad de TI (802.11)Red de Campo InalámbricaAncho de Banda: Bajo -pequeño, high prioritycommunicationsSeguridad/Confiabilidad: Nopodemos perder una“llamada”….debemos co-existir y desempeñarnos enambientes severos,dinámicos.Energía: BAJO…muchosdispositivos, ampliamentedistribuidos en ambientesseveros, baterías debendurar 5 – 10 añosEstándares: Definidos por lacomunidad de Proceso(WirelessHART)
  6. 6. [File Name or Event]Emerson Confidential27-Jun-01, Slide 6La Planta Digital de Emerson Integra de FormaLa Planta Digital de Emerson Integra de FormaTransparente lo cableado y lo inalámbricoTransparente lo cableado y lo inalámbricoRed de PlantaRed de ControlOperacionesAdministraciónde ActivosDispositivosDe CampoRedesAutoadminstradasComunicacionesmóvilesOperadorMóvilSeguridad Físicay del ProcesoSeguimiento deActivos/PersonalRed de Planta InalámbricaRed de Campo Inalámbrica
  7. 7. [File Name or Event]Emerson Confidential27-Jun-01, Slide 7AgendaAgenda Introducción Evolución y Estándares Conceptos Básicos Requerimientos de una red inalambrica industrial
  8. 8. [File Name or Event]Emerson Confidential27-Jun-01, Slide 8IntroducciónIntroducción(Finales de los 90’s) Surge LAN inalámbrico,digital– IEEE 802.11b– Se desarrolla Spread Spectrum(1901) Gugliermo Marconienvía el primer mensaje através del AtlánticoII Guerra Mundial - Radio(1990) Digital wireless mediados de90’s gracias a la telefonía celular– TDMA– GSM(1985) La FCC asigna la bandade 902 a 928 MHz para ISM(Industrial, Scientific and Medical)(1945) Primer teléfonomóvil (no-celular)(2004-2006) WPAN– IEEE 802.15Transmisiones analógicas(1960) Noruega es el primerpaís con teléfonos celulares 0G1901 1990 2000(2003) LAN– IEEE 802.11g(2008-2009?)– IEEE 802.11s
  9. 9. [File Name or Event]Emerson Confidential27-Jun-01, Slide 9Tecnología Inalámbrica aTecnología Inalámbrica aDistintos NivelesDistintos NivelesW-WAN: Wireless Wide Area NetworksW-MAN: Wireless Metropolitan NetworksW-LAN: Wireless Local Area NetworkW-PAN: Wireless Personal Area Networks Walt Boyes. Cutting the Wires of Communication. Control Global. 2006Certificados de ConformidadWiMAX: Worldwide Interoperable for Microwave Access.Wi-Fi: Wireless Fidelity.WPA: WiFi Protected AccessEnPlantaCercanoGlobal1Mb/s 10 Mb/s 100 Mb/s Velocidad de TransmisiónConsumodeEnergíaCosto/ComplejidadSatelitalW-WANW-PAN3GRFID-22G2.5G1GBluetoothZigbeeW-LAN$$$$$802.16802.15.3RFID-1802.15.4802.11.g802.11.b802.11.aWiMAXWMAN802.11aHiperLANWiMediaUWSLR-WPANWiFi
  10. 10. [File Name or Event]Emerson Confidential27-Jun-01, Slide 10Qué significa eso en mi planta?Qué significa eso en mi planta?
  11. 11. [File Name or Event]Emerson Confidential27-Jun-01, Slide 11ProtocolosProtocolosWireless Personal Area Networks - WPANWireless Personal Area Networks - WPANIEEE 802.15 (1998) (2003)
  12. 12. [File Name or Event]Emerson Confidential27-Jun-01, Slide 12ProtocolosProtocolosWireless Local Area Networks - WLANWireless Local Area Networks - WLANIEEE 802.11 Los dispositivos que satisfacen este estándar, se lescertifica Wi-Fi (Wireless Fidelity)
  13. 13. [File Name or Event]Emerson Confidential27-Jun-01, Slide 13AgendaAgenda Introducción Evolución y Estándares Conceptos Básicos Requerimientos de una red inalambrica industrial
  14. 14. [File Name or Event]Emerson Confidential27-Jun-01, Slide 14AgendaAgenda Introducción Evolución y Estándares Conceptos Básicos– Redes de comunicación– Topologías– Transmisión Inalámbrica– Segmentación según uso Requerimientos de una red inalambrica industrial
  15. 15. [File Name or Event]Emerson Confidential27-Jun-01, Slide 15Conceptos BásicosConceptos Básicos Red (comunicaciones)– Estructura de comunicación entre dos o más dispositivos,orientados a compartir información y recursos– Componentes• Sistema de información• Dispositivos (nodos)• Interfase (Gateway)
  16. 16. [File Name or Event]Emerson Confidential27-Jun-01, Slide 16Conceptos BásicosConceptos Básicos Sistema de Información– Visualiza y almacena la información– La información la administra de diversas maneras• Reportes de mantenimiento• Históricos del proceso• Generación de alarmas– Fácil de integrarAlarmas/Data LoggingTrendingMonitoreoConfiguración
  17. 17. [File Name or Event]Emerson Confidential27-Jun-01, Slide 17Conceptos BásicosConceptos Básicos Gateway– Es un puente o interfase entre dos medios físicos distintos,también entre dos protocolos diferentes• Analógico a Digital• Bell 202 a RS-232• Inalámbrico a Sistema cableado• HART a Modbus
  18. 18. [File Name or Event]Emerson Confidential27-Jun-01, Slide 18Conceptos BásicosConceptos Básicos Nodos– Elementos que componen la estructura de la red decomunicación• La comunicación se establece entre los nodos• Dependen de la estructura definida para la red (topología)
  19. 19. [File Name or Event]Emerson Confidential27-Jun-01, Slide 19Conceptos BásicosConceptos BásicosTopologíasTopologíasSource: http://www.hartcomm2.org/hart_protocol/wireless_hart/wireless_hart_main.htmlMalla Estrella Arbol** También Mesh-Estrella
  20. 20. [File Name or Event]Emerson Confidential27-Jun-01, Slide 20Conceptos BásicosConceptos BásicosTopologíasTopologíasEstrella– Existe un único EnrutadorEnrutador que establececomunicación con todos los dispositivos finales.– Cada Nodo FinalNodo Final habla directamente con elEnrutadorEnrutador VentajasVentajas– Adecuada para redes pequeñas DesventajasDesventajas– Sensible a la interferencia (fijas, móviles eintermitentes) y obstrucciones• Importante realizar una evaluación del campo– Si el Nodo EnrutadorNodo Enrutador sale de servicio, se pierde lacomunicación de todos los demás nodos– Media-Baja confiabilidadNodo EnrutadorNodo Final
  21. 21. [File Name or Event]Emerson Confidential27-Jun-01, Slide 21Conceptos BásicosConceptos BásicosTopologíasTopologíasMalla (Mesh)– Algunos (o todos) los Nodos FinalesNodos Finales se puedenconfigurar como Nodos EnrutadoresNodos Enrutadores VentajasVentajas– Enlaces redundantes– Tolerante a fallas– Alta confiabilidad DesventajasDesventajas– Puede requerir un alto nivel de configuración de losnodosNodo EnrutadorNodo Final
  22. 22. [File Name or Event]Emerson Confidential27-Jun-01, Slide 22Conceptos BásicosConceptos BásicosTopologíasTopologíasArbol– Es una mezcla entre Malla y Estrella– Algunos de los Nodos FinalesNodos Finales se puedenconfigurar como Nodos EnrutadoresNodos Enrutadores– Algunos Nodos Finales se comunicanúnicamente con algunos Nodos Enrutadores VentajasVentajas– Enlaces redundantes (parciales)– Tolerante a fallas (parcialmente)– Permite segmentar la planta (por dispositivo,proceso, variable, etc) DesventajasDesventajas– Puede requerir un alto nivel de configuración delos nodos• Persisten algunos problemas de la topologíaestrellaNodo EnrutadorNodo Final
  23. 23. [File Name or Event]Emerson Confidential27-Jun-01, Slide 23Conceptos BásicosConceptos BásicosTopologíasTopologíasRed Auto-Administrada (Smart Mesh)– Es una versión mejorada del Malla– Todos los dispositivos tienen la capacidad deenrutar la información– Se auto configura VentajasVentajas– No dependen de una pre-configuración• Detectan en forma inteligente, los vecinos a travésde los cuales puede transmitir– Aumenta la tolerancia a falla– Elimina la redundancia innecesaria– Alta confiabilidad DesventajasDesventajasNodo EnrutadorNodo Final
  24. 24. [File Name or Event]Emerson Confidential27-Jun-01, Slide 24Conceptos BásicosConceptos BásicosRedes InalámbricasRedes Inalámbricas Redes Inalámbricas– Cable entre los dispositivos inexistente• No requiere cableado para transmitir información ni paraenergizar los dispositivos
  25. 25. [File Name or Event]Emerson Confidential27-Jun-01, Slide 25Conceptos BásicosConceptos BásicosRedes InalámbricasRedes Inalámbricas Mismas topologías queredes cableadas Redes parcialmenteinalábricas– Alimentación– Comunicación Radios y antenasestablecen lacomunicación inalámbricaConexión InalámbricaConexión cableada
  26. 26. [File Name or Event]Emerson Confidential27-Jun-01, Slide 26Conceptos BásicosConceptos BásicosTransmisión InalámbricaTransmisión Inalámbrica Medios de transmisión en la Industria:– Radio Frecuencia– Microonda (satelital)Espectro ElectromagnéticoFrecuencia(Hz)LongituddeOnda
  27. 27. [File Name or Event]Emerson Confidential27-Jun-01, Slide 27Conceptos BásicosConceptos BásicosTransmisión InalámbricaTransmisión Inalámbrica Frecuencias industriales comunes– 868 MHz (ISM)– 900 MHz– 2.4 GHz– 5.1 GHz En comunicaciones de radio, cada banda de transmisión está compuestapor canales
  28. 28. [File Name or Event]Emerson Confidential27-Jun-01, Slide 28Conceptos BásicosConceptos BásicosTransmisión InalámbricaTransmisión Inalámbrica Para transmitir ondas de radio, se requiere deuna antena Existen varios tipos de antena. Entre las máscomunes se encuentran:– Parabólica– Yagi– Omnidireccional• Planar (celular) Cada una de ellas se caracteriza por– Patrón de radiación– Ganancia
  29. 29. [File Name or Event]Emerson Confidential27-Jun-01, Slide 29Conceptos BásicosConceptos BásicosTransmisión InalámbricaTransmisión InalámbricaOmnidireccional Ganancia media Libertad de ubicación delEmisor y del receptor Ideal para conexión tipo malla– Lo hace menos susceptibleante presencia deobstrucciones en el paso de laonda Menor consumo de energíaDireccional Alta ganancia Emisor y receptor deben estaralineados Ideal para conexiones Punto-a-Punto– Pérdida de señal porobstrucciones en el paso de laonda Mayor consumo de energía
  30. 30. [File Name or Event]Emerson Confidential27-Jun-01, Slide 30RequerimientosRequerimientosSegún el usoSegún el uso Personal Residenciales Comerciales Industriales
  31. 31. [File Name or Event]Emerson Confidential27-Jun-01, Slide 31AgendaAgenda Introducción Evolución y Estándares Conceptos Básicos Requerimientos de una red inalambrica industrial
  32. 32. [File Name or Event]Emerson Confidential27-Jun-01, Slide 32AgendaAgenda Introducción Evolución y Estándares Conceptos Básicos Requerimientos de una red inalambrica industrial– Seguridad– Energía– Estándares Industriales– Robustez– Entorno/Coexistencia
  33. 33. [File Name or Event]Emerson Confidential27-Jun-01, Slide 33Requerimientos paraRequerimientos paraUsos IndustrialesUsos IndustrialesFábrica Areas bajo techo Maquinaria asociada a– manufactura, ensamble,empaque y distribución deproductos Manejo de materiales:– traslado de los productos delárea de fabricación a laszonas de despachoProceso Normalmente en plantas al airelibre La producción está “oculta” de losoperadores– En tuberías, equipos especiales(intercambiadores) y/o tanquespresurizados. Los productos son en su mayoríafluídos. Productos corrosivos, venenososo inflamables
  34. 34. [File Name or Event]Emerson Confidential27-Jun-01, Slide 34Requerimientos IndustrialesRequerimientos IndustrialesSeguridadSeguridad Protección del acceso por parte de terceros– Evitar que se reemplace la fuente deinformación– Evitar que se remplace el destino de lainformación Protección de la información– Privacidad de los datos– Optimización de los recursos Técnicas para aumentar la seguridad– Modulación– Encriptación– Autenticación– Verificación– Restricción de acceso
  35. 35. [File Name or Event]Emerson Confidential27-Jun-01, Slide 35Requerimientos IndustrialesRequerimientos IndustrialesConfiabilidadConfiabilidad Confiabilidad– La certeza de que la información llegue aldestino– Algunas –no todas- de las técnicas paraaumentar la confiabilidad, impactanpositivamente la seguridad• Modulación• Sincronización– Latencia depende de la confiabilidadMensajes recibidos por el GatewayMensajes enviados por el dispositivoConfiabilidad =
  36. 36. [File Name or Event]Emerson Confidential27-Jun-01, Slide 36Requerimientos IndustrialesRequerimientos IndustrialesConfiabilidadConfiabilidad Confiabilidad depende de:– Sensor– Comunicacióninalámbrica– Integración del Host– Administración de losdatos Un red inalámbrica es tanconfiable como el másdébil de sus componentesABDGatewayRed de ControlOperaciones85%65%40%CConfiabilidaddelaRed>99%
  37. 37. [File Name or Event]Emerson Confidential27-Jun-01, Slide 37Requerimientos IndustrialesRequerimientos IndustrialesConfiabilidadConfiabilidadPérdida de señal El impacto sobre las comunicaciones, está asociado ala topología seleccionada– Fijas• Zonas muertas• Infraestructura– Materiales de construccion.– Mover el dispositivo unos milímetrospuede ser suficiente– Móviles• Fuerte interferencia de otras fuentes RF• Infraestructura– Intermitentes• Lluvia, humedad, neblina• Otras fuentes RF
  38. 38. [File Name or Event]Emerson Confidential27-Jun-01, Slide 39Requerimientos IndustrialesRequerimientos IndustrialesConfiabilidadConfiabilidad Interferencia entre canales– o CCI es un cruce de señalentre dos radio-transmisoresdiferentes, que utilizan la mismafrecuencia de transmición– Coexistencia• La habilidad de dos radiotransmisores de utilizar la mismafrecuencia de transmisión,compartiendo el mismo canal decomunicación
  39. 39. [File Name or Event]Emerson Confidential27-Jun-01, Slide 40Requerimientos IndustrialesRequerimientos IndustrialesConfiabilidadConfiabilidadCausas de CCI Potencia de Transmisión Comportamiento de la señal con respecto al tiempo Comportamiento de la señal con respecto al espacio (frecuencia)
  40. 40. [File Name or Event]Emerson Confidential27-Jun-01, Slide 41Requerimientos IndustrialesRequerimientos IndustrialesConfiabilidadConfiabilidad Interferencia móvil– Cluster TreeABCConfiguraciónA : GatewayA : BConfiguraciónB : GatewayB : AConfiguraciónC : Gateway
  41. 41. [File Name or Event]Emerson Confidential27-Jun-01, Slide 42Requerimientos IndustrialesRequerimientos IndustrialesConfiabilidadConfiabilidad Interferencia móvil– Cluster TreeABCConfiguraciónA : GatewayA : BConfiguraciónB : GatewayB : AConfiguraciónC : Gateway
  42. 42. [File Name or Event]Emerson Confidential27-Jun-01, Slide 43Requerimientos IndustrialesRequerimientos IndustrialesConfiabilidad-ModulaciónConfiabilidad-Modulación Saltos rápidos en frecuencia Saltos pseudo-aleatorios Salta dentro de los canales dela banda. Rechazo a la interferenciaEspectro Ampliado por Salto en FrecuenciaFrequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) Beneficios de FHSS– Aumento de confiabilidad• Detecciones de error• Retransmisiones si elmensaje es interrumpido– Anticipan a lacompetencia por demanda• Y por la interferenciacausadas por otrosdispositivos
  43. 43. [File Name or Event]Emerson Confidential27-Jun-01, Slide 44Requerimientos IndustrialesRequerimientos IndustrialesConfiabilidad-ModulaciónConfiabilidad-Modulación Una banda estrecha de laseñal se multiplica por otraseñal pseudo-aleatoria deruido (secuencia Barker). La señal resultante se dispersapor toda la bandaEspectro Ensanchado por Secuencia DirectaDirect Sequence Spreads Spectrum (DSSS) Beneficios de DSSS– Redundancia• Transmisión a través de todala banda• El receptor puede reconstruirla señal en caso de daños– Anticipan a la competenciapor demanda• Y por la interferenciacausadas por otrosdispositivos
  44. 44. [File Name or Event]Emerson Confidential27-Jun-01, Slide 45Requerimientos IndustrialesRequerimientos IndustrialesConfiabilidad-SincronizaciónConfiabilidad-Sincronización Métodos de Acceso del Canal através del cual se intercambio lainformación Permite que varios elementoshagan uso del mismo canal decomunicación
  45. 45. [File Name or Event]Emerson Confidential27-Jun-01, Slide 46Requerimientos IndustrialesRequerimientos IndustrialesConfiabilidad-SincronizaciónConfiabilidad-Sincronización Acceso Multiple por Deteccion de Portadora– Carrier Sense/Detection Multiple Access (CSMA/CDMA):• El emisor “escucha” la portadora para verificar si está libre.• Si está libre, inicia su transmisión• Propenso a “colisiones”bla bla blableblebleClicknormalClickcolision!?
  46. 46. [File Name or Event]Emerson Confidential27-Jun-01, Slide 47Requerimientos IndustrialesRequerimientos IndustrialesConfiabilidad-SincronizaciónConfiabilidad-Sincronización Acceso Multiple por Deteccion de Portadora– Carrier Sense/Detection Multiple Access (CSMA/CDMA):• Receptor está fuera de servicio.• El transmisor envía datos y al no recibir confirmación vuelve aenviar la información• Saturación del canalbla bla blaClickSaturacion
  47. 47. [File Name or Event]Emerson Confidential27-Jun-01, Slide 48Requerimientos IndustrialesRequerimientos IndustrialesConfiabilidad-SincronizaciónConfiabilidad-Sincronización Time division multiple access (TDMA):– Cada uno de los dispositivos sabe cuándo debe transmitir, ypor cuánto tiempotA DD D DA A A EB C B C B CEEA:D:
  48. 48. [File Name or Event]Emerson Confidential27-Jun-01, Slide 49Requerimientos IndustrialesRequerimientos IndustrialesSeguridad-EncriptaciónSeguridad-Encriptación Encriptación es el proceso detransformar un mensaje en uncipher-texto.– cipher. Algoritmo matemático– cipher-texto. Información Protege el mensaje del accesode terceros (no autorizados) enla red– Evita que se pueda interpretar– Evita que alguien lo manipuleexternamente
  49. 49. [File Name or Event]Emerson Confidential27-Jun-01, Slide 50Requerimientos IndustrialesRequerimientos IndustrialesSeguridad-EncriptaciónSeguridad-EncriptaciónHOLAKRODHOLAHOLACLAVE:Letra + 3EncriptaciónCLAVE:Letra - 3Des-encriptación128 bits = 2128 bits = 3.4x1012838Combinaciones
  50. 50. [File Name or Event]Emerson Confidential27-Jun-01, Slide 51Requerimientos IndustrialesRequerimientos IndustrialesSeguridad-AutenticaciónSeguridad-Autenticación Busca asegurar quetanto el emisor comoel receptor, seanelementos válidos quepertenecen a la red Busca evitar que unagente externo, tengala posibilidad demodificar o accesar
  51. 51. [File Name or Event]Emerson Confidential27-Jun-01, Slide 52Requerimientos IndustrialesRequerimientos IndustrialesEnergíaEnergía La energía es fundamental para que elsistema sea totalmente inalámbrico Algunas aplicaciones presentanrequerimientos de suministro permanente:– Totalizacion de caudal– Variables de controlConsumodeenergía• Cantidad de información• Distancia de transmisión• Velocidad de transmisión• Periodicidad de transmisión
  52. 52. [File Name or Event]Emerson Confidential27-Jun-01, Slide 53Requerimientos IndustrialesRequerimientos IndustrialesEnergíaEnergíaPanel SolarPanel Solar Recarga una batería Uso muy difundidoLimitaciones Interiores de la planta Orientación del sol Alto costoBateríaBatería Compacto Fácil de reemplazarLimitaciones Vida útil limitada Químicos que limitan sudesecho/transporte
  53. 53. [File Name or Event]Emerson Confidential27-Jun-01, Slide 54Requerimientos IndustrialesRequerimientos IndustrialesEnergíaEnergía
  54. 54. Smart WirelessMuchas Gracias!

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